Основным фактором, влияющим на целостность конструкции фундамента в условиях вечной мерзлоты, можно назвать влияние сил морозного пучения. Один из наиболее серьезных процессов, происходящих при промерзании грунта — неравномерное увеличение объема грунта, вследствие этого происходит осадка или просадка во время оттаивания, что является основной причиной деформаций зданий и сооружений (в особенности это характерно для малонагруженных зданий).
Морозное пучение грунта — результат процесса объемного расширения воды (около 9 %), которая находилась в нем до промерзания и двигалась к границе промерзания во время перехода воды из жидкого состояния в лед.
Миграция воды в грунте — достаточно сложный процесс. На который влияют многие условия: состав грунта, его гидрофильность, изначальная влажность, наличие подтока воды извне к промерзающему грунту, плотность, скорость, время промерзания; температурные условия среды, при которой замерзает вода в грунте, величина нагрузки на грунт, повторность циклов промерзания и оттаивания и т. п.
Интенсивность и глубина сезонного промерзания грунтов зависят от ряда условий: продолжительность, суровость холодного периода (количество градусо-дней с отрицательными температурами), величина снежного покрова, периоды выпадения осадков, тип и состав грунта, его теплофизические, влажностные характеристики, уровень естественной влажности и ее изменениями во времени, наличие растительного покрова, глубиной залегания подземных вод, рельефом и т. д. Большинство перечисленных условий имеют региональное значение.
Такое большое количество определяющих факторов чрезвычайно затрудняет прогноз глубины промерзания и, следовательно, пучения грунта.
Миграция наблюдается только в гидрофильных (смачивающихся водой) замерзающих системах, наиболее интенсивная миграция происходит в грунтах с малой скоростью промерзания и с высоким содержанием пылеватых фракций (размер частиц 0,05...0,005).
Морозное пучение вечномерзлых грунтов зависит от ряда условий- климатических, гидрогеологических, литологических, а также геокриологическими.
Природные факторы, количественно характеризующие интенсивность пучения — глубина залегания грунтовых вод, гранулометрический, минералогический, химический состав грунта, водно-физические свойства грунта, плотность и степень охлаждения грунта, которая непосредственно зависит от температуры воздуха, а также теплоизоляции.
Геотехническими факторами, влияющими на интенсивность силы морозного пучения, можно назвать нагрузки на грунты от возводимых сооружений, факторы, связанные с обустройством осваиваемых территорий.
Существует два вида воздействия сил морозного пучения на фундамент здания:
– Вертикальное выталкивающее — происходит по причине пучения слоев грунта, которые находятся под основанием здания;
– Касательное пучение — выталкивающее воздействие. Оно происходит по причине пучения грунта, контактирующего с боковыми поверхностями фундамента.
Как известно, грунты в основании зданий, склонные в разной степени к морозному пучению, занимают большую часть площади страны.
Выбор оптимального способа снижения влияния сил морозного пучения на деформацию здания остается сложной задачей. Тем не менее, известны 3 основных метода устройства фундамента в данных условиях:
– Устройство заглубленного фундамента — устройство подошвы фундамента на уровень глубины промерзания грунта.
– Устройство мелко заглубленного фундамента с увеличенной жесткостью на изгиб — фундамент и над фундаментные конструкции, рассчитанные на неравномерные деформации основания.
– Применение конструкции теплоизолированного фундамента мелкого заложения (ТФМЗ). Принцип характеризуется утеплением фундамента и грунта вокруг него с целью исключения промерзания грунта и снивелировать воздействие сил морозного пучения на конструкции фундамента.
Теплозащищеный мелко заглубленный утепленный фундамент характерен применением двух принципов компенсации сил морозного пучения — повышенной жесткости и утепления фундамента.
Теплоизоляцию такого фундамента следует выполнять в облегченном варианте (устройство вертикального слоя теплоизоляции по всей высоте фундамента и цоколя, при этом, в качестве теплоизоляционного материала в данном случае подходят материалы-аналоги материала «Пеноплекс-Гео»). Что позволило бы уменьшить глубину промерзания под подошвой фундамента и силу морозного пучения, которая действует на фундамент.
Заложение подошвы ленточного фундамента на глубину промерзания не всегда защищает здания от деформаций (особенно это касается легких зданий малой этажности).
Фундаменты таких зданий имеют развитую боковую поверхность, по которой действуют значительные касательные силы морозного пучения.
Применение ленточных фундаментов на глубину промерзания — это материалоемкая и дорогостоящая технология устройства фундаментов, не всегда обеспечивающая надежную эксплуатацию малоэтажных зданий, возведенных на пучинистых грунтах. В большинстве случаев этот метод можно считать экономически нецелесообразным.
Свайные и столбчатые заглубленные фундаменты можно считать наиболее оптимальным вариантом решения устройства фундаментов на вечномерзлых грунтах. Характерное их исполнение — металлические или железобетонные сваи с устройством ростверка.
Поскольку опорная поверхность подошвы данного типа фундаментов весьма незначительна, это ограничивает их использование применительно к легким зданиям на прочных грунтах. Помимо вышесказанного, применение конструкций свайных фундаментов предполагает устройство холодного подполья под зданием (что также удорожает строительство).
Эффективным путем решения проблемы строительства малоэтажных зданий на пучинистых грунтах является устройство мелкозаглубленных фундаментов, приспособленных к неравномерным деформациям основания.
Основной принцип конструирования мелкозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах заключается в том, что, например, ленточные фундаменты всех стен частного дома объединяются в единую систему и образуют достаточно жесткую горизонтальную раму, перераспределяющую неравномерные деформации основания.
Применение мелкозаглубленных фундаментов базируется на принципиально новом подходе к их проектированию, в основу которого заложен расчет оснований по деформациям пучения.
Теплоизолированный утепленный фундамент мелкого заложения (ТФМЗ). Степень морозного пучения, а также прочность конструктивных элементов здания может изменяться с течением времени под воздействием различных факторов.
Современным способом решения вопроса морозного пучения для зданий небольших габаритов, можно назвать применение теплоизолированного фундамента мелкого заложения (ТФМЗ). Принцип данного метода состоит в устройстве теплоизоляции как под сам фундамент, так и грунт вокруг и под фундаментом. Данная технология позволяет предотвратить промерзание грунта вблизи конструкций фундамента. Это дает возможность избежать воздействия сил морозного пучения на конструкции фундаментов и их деформацию.
С целью увеличения несущей способности оснований и фундаментов необходима разработка ряда мероприятий. Один из наиболее эффективных способов сохранения или усиления мерзлого состояния грунта — поддержание низких температур наружного воздуха при помощи парожидкостных термосифонов, они также называются термостабилизаторами.
При возведении зданий с проектным решением полов по грунту и необходимостью искусственного закрепления грунтов в условиях вечной мерзлоты, использование вертикальных термостабилизаторов нецелесообразно. Так как этот вид термостабилизаторов для данного типа зданий можно устанавливать только по их периметру, поскольку конденсаторная часть должна находиться на открытой площадке для полноценного и беспрепятственного обдува воздухом, а при значительных размерах зданий и сооружений этих термостабилизаторов будет недостаточно для закрепления грунтов непосредственно под объектом в центре. Это может привести к просадке полов и потере устойчивости несущих конструкций. В таких ситуациях решением проблемы является применение пологонаклонной системы термостабилизации грунтов.
Пологонаклонная система термостабилизации грунтов состоит из отдельных термостабилизаторов, габариты и количество которых подбирается исходя из габаритов возводимого здания, а также определяется посредством расчета теплофизических свойств грунта. Шаг расположения термостабилизаторов определяется расчетом. Монтаж системы выполняется в открытом котловане по грунту с выполнением уклона испарительной части термостабилизаторов, а также выводом конденсаторной части на открытую площадку.
При небольших габаритах объектов применяются пологонаклонные термостабилизаторы с диаметром испарителя 38 мм. Для осуществления монтажа конструкции в проектное положение применяются поддерживающие конструкции.
Для значительных по размерам зданий применяется система пологонаклонных термостабилизаторов с диаметром испарителя 76 мм. Каждый термостабилизатор состоит из трех частей: испаритель — труба, которая укладывается под сооружением с уклоном. Она служит для отвода тепла от грунта при помощи циркуляции хладона; транспортный участок — труба, которая служит для транспортировки хладона от конденсатора к испарителю и назад. Она устанавливается горизонтально. Конденсатор — третий элемент, представляет собой конструкцию из труб и дисков, устанавливаемых вертикально и на высоте, оптимальной для свободного обдува воздухом, служит для охлаждения хладона. Применение конструкции анкерного термостабилизатора дает возможность исключить потери мощности на транспортном участке, что дает повышение эффективности установки.
Конденсаторы термостабилизаторов, согласно технологии, выводятся на площадку обслуживания — это металлическая конструкция, которая служит для обслуживания и проверки состояния системы, а также в качестве опорной конструкции конденсаторов. Применение такой площадки способствует минимизации площади, занимаемой надземными конструкциями термостабилизаторов, что дает возможность свободного подъезда к сооружению и повышает эксплуатационные показатели системы.
Вышеуказанная система термостабилизации грунта имеет ряд преимуществ. — При выходе из строя одного из элементов системы, остальные ее части продолжают бесперебойно функционировать и в необходимой степени создать и поддерживать льдогрунтовую плиту под зданием с целью обеспечения необходимой проектной несущей способности фундаментов.
Данную систему термостабилизации грунтов можно устраивать и под уже существующие здания с помощью технологии наклонно-направленного бурения (ННБ). Этот способ бурения дает возможность монтажа испарителя на нужной глубине под зданием без разработки котлована.
Еще один инновационный метод решения данной проблемы был разработан совместно специалистами из России и Японии. Ими было предложено конструктивное решение для борьбы с морозным пучением — противопучинные сваи. (Анкерные металлические сваи, устанавливаемые в местах вечномерзлых морозоопасных грунтов). В средней части сваи, на уровне отметки деятельного грунта выполняется устройство специального полиэтиленового покрытия. Оно препятствует выталкиванию сваи при пучении. В нижней части сваи находится анкерная конструкция, которая надежно удерживает сваю в слое вечной мерзлоты. Не смотря на свою новизну, данный метод успешно применяется на сегодняшний день в России.
Литература:
- ГОСТ Р 53582–2009 Грунты. Метод определения сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов
- ГОСТ Р 54257–2010 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования
- № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
- 2012 «СНиП 22–02–2003 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов.
- Современные изменения термического состояния многолетней мерзлоты России и их возможные последствия для фундаментов зданий и технических сооружений2008 год, кандидат географических наук Шерстюков, Артём Борисович
- Моделирование влияния климатических изменений на фазовое состояние воды в грунте2009 год, кандидат физико-математических наук Аржанов, Максим Михайлович
- Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР
